| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Elektrodialytisk rensning af jord fra træimprægneringsgrunde

6. Lille pilotanlæg

Der blev opført et lille pilotanlæg til ca. 200 kg jord. Anlægget blev bygget efter et princip beskrevet i (Hansen, 1998), og benævnes i det følgende Megalab.Jorden blev behandlet i to omgange. Den første Megalab opstilling stod udendørs, og den anden indendørs. De to rensningsperioder, bliver i det følgende beskrevet hver for sig, men først angives startkoncentrationerne for jorden.

6.1 Startværdier

Jorden blev udtaget i en dybde på op til 30 cm. Jorden blev blandet rundt ved at fordele den i 5 portioner, som blev homogeniseret ved omrøring. De 5 portioner blev efterfølgende blandet igen, og der blev udtaget 15 jordprøver, inden jorden blev fyldt i Megalabanlægget, og endnu 10, medens jorden blev fyldt på. Koncentrationerne af Cu, og Cr blev målt i alle disse 25 prøver, medens As koncentrationen blev målt i 16 prøver. Koncentrationerne er vist på figur 6.1.

Figur 6.1:
Startkoncentrationer i Megalab. Der er ikke målt As i prøverne 7 til 15.

Middelværdien for Cr i de 25 prøver var 160 mg/kg, hvilket er under jordkvalitetskriteriet. Middelværdien for Cu var 840 mg/kg og for As var middelværdien 830 mg/kg.

6.2 Megalab. Kørselsperiode 1.

6.2.1 Beskrivelse af anlæg

Det jordvolumen, som blev anvendt til Megalabanlægget var 90 x 50 x 26 cm, dvs. 0,117 m³ jord. Med en vægtfylde på 1,6 kg TS/l (beregnet ud fra laboratorie-eksperimenter) var der 190 kg tør jord i anlægget. Beregnet ud fra middelværdierne på startkoncentrationerne var der således ca. 30 g Cr, 160 g Cu og 160 g As.

I hver ende af et kar, blev der placeret en plan elektrodeenhed parallelt med hinanden. Elektrodeenhederne blev konstrueret af fire PVC plader, hvoraf den bagerste var massiv, de to næste var fræset ud efterladende et rum til elektrolytvæske. I den tynde plade, som udgjorde bunden efter udfræsningen, blev der boret en række huller. Den forreste plade blev fræset helt ud, således at der kun var en ramme tilbage, se figur 6.2. De ydre mål af enhederne var 45 cm bred, 35 cm høj og 10 cm dyb. Membranoverfladearealet var 38 cm x 28 cm. Der var 90 cm mellem elektrodeenhederne.

Figur 6.2:
Dele til elektrodeenhed. Forrest i billedet er bagpladen til enheden.

Rundt i kanten af hver af de overflader som skulle fastholde en membran var der en rille, hvori der lå en svampegummiliste for at holde enheden tæt. Ionbyttermembranerne blev placeret som vist på figur 6.2 inden elektrodeenhederne blev boltet sammen. I toppen af enhederne var der studse til cirkulation af elektrolytvæske, og endvidere var der et hul til elektroden.

Elektrodeenhederne blev placeret i hver ende af en plastkasse. Anlægget stod ude, og dunkene til de cirkulerende elektrolytvæsker stod indendørs. Plastkassen udendørs blev dækket af en PVC plade.

6.2.2 Opstart

Jorden blev påfyldt karret d. 01.12.98. For hver 10 cm jord blev der hældt et lag af 2,5% ammoniak og 1 M NaOH. Under påfyldningen blev der på denne måde brugt 4 l ammoniak og 1l NaOH. Efter en uge blev der fra oven tilsat yderligere 40 l 2,5% ammoniak. I hvert kammer i elektroderne blev der fyldt 25 l elektrolytopløsning. I de to kamre ved anoden blev der benyttet 2,5% ammoniak, medens der i de to kamre ved katoden blev brugt HNO₃, med en pH værdi på 2. Efter 3 måneders drift blev elektrolytterne i katodeenheden udskiftet til 2,5% ammoniak. Det elektriske felt blev påtrykt d. 07.12.98.

6.2.3 Driftsperiode

Første driftsperiode strakte sig fra 07.12.98 til 24.09.99. Strømstyrken blev fra start sat til 200 mA og blev gradvist øget til 500 mA indenfor de første 2 måneder, hvorefter strømstyrken lå konstant på 500 mA . Endelig blev strømstyrken øget til 900 mA i de sidste 2 ½ måned. Strømstyrke og spænding blev noteret tre gange ugentligt, og fra disse aflæsninger kan det beregnes, at energiforbruget til denne fase var 340 kWh/ton ved en jord med et vandindhold på 20%.

Under eksperimentet blev der jævnligt hældt en ammoniakopløsning ud over jorden. I alt blev der påfyldt hvad der svarer til 17,2 l koncentreret ammoniak i perioden.

Under kørslen opstod der flere problemer.
- Anoden havde tendens til at gå i opløsning. Årsagen til dette er ikke afklaret, men det kan skyldes, at der er kommet fluor fra jorden ud i anodekammeret. Det vides, at fluor kan forårsage problemer med denne type elektroder, endvidere har fluor været anvendt under imprægneringsprocessen på Stenholtvang, og kan derfor have været til stede i denne jord i forhøjet koncentration. Anoden blev skiftet flere gange under kørslen.
-Elektrodeenhederne blev utætte. Efter ca. 7 1/2 måneder blev det konstateret, at katodeenheden var utæt. Den blev gravet op, fik skiftet membraner og blev sat i igen en uge efter. Der var løbet ca. 30 l væske ud fra enheden ud på jorden.
- Efter 9 måneders kørsel var anodeenheden utæt. Også denne enhed blev gravet op, fik skiftet membraner, og anlægget kom atter i drift efter en uges ophold.
- Endelig var der problemer med at få en tilstrækkelig ammoniaktilledning til hele jordvoluminet, idet den ammoniak, som blev hældt ud over jorden ikke fordelte sig ned gennem hele jordlaget.

6.2.4 Metalfjernelse

Der blev udtaget jordprøver den 24.04.99, efter 134 dages drift, og igen den 24.09.99 efter 240 dages drift. Jordprøverne blev taget i fem rækker med tre prøver i hver. Prøverne i hver række havde samme afstand til anoden.
Koncentrationsprofilerne for de to prøvetagningstidspunkter ses på figur 6.3 til 6.5.

Figur 6.3:
Cu koncentrationsprofiler i Megalab, kørselsperiode 1 til to forskellige tidspunkter. Middel, højeste og mindste målte startværdi er angivet.

Koncentrationsprofilerne viser et forløb for Cu fra anodesiden, som ligner de forløb, som blev fundet i laboratorieeksperimenter. De første to rækker er renset ned til under jordkvalitetskriteriet efter 240 døgn. Derimod ses en meget forhøjet Cu koncentration i prøverne tættest ved katoden efter 240 døgn. Dette skyldes sandsynligvis den utæthed, som gjorde, at der var diffunderet 30 l væske ud fra katodeenheden, væske som indeholdt Cu, som allerede var fjernet fra jorden.

Figur 6.4:
Cr koncentrationsprofiler i Megalab, kørselsperiode 1 til to forskellige tidspunkter. Middel, højeste og mindste målte startværdi er angivet.

Cr-niveauet var fra start lavt i jorden. Der er ikke nogen tydelig dannelse af profiler for Cr (figur 6.4), men det stemmer også fint overens med, at der ikke fjernes Cr i større mængde i laboratoriecellerne.

Figur 6.5:
As koncentrationsprofiler i Megalab, kørselsperiode 1 til forskellige tidspunkter. Middel, højeste og mindste målte startværdi er angivet.

Der ses ingen tydelig tendens for As. Profilet for As efter de 240 døgn er skæmmet af, at anodeenheden havde været utæt kort før prøverne blev udtaget. Der var derfor sevet As holdig væske ud i den første jordskive, som derfor kan forventes at have en forhøjet koncentration af As, i forhold til koncentrationen før denne utæthed. Generelt må det siges, at der ikke var en succesfuld rensning for As.

Middelkoncentrationen for de prøver, som blev udtaget d. 24.09.99 (efter 240 døgn), var 740 mg Cu/kg, 125 mg Cr/kg og 770 mg As/kg. I forhold til middelstartkoncentrationerne svarer det til en reduktion på 12% for Cu , 21% for Cr og 7% for As.

I elektrolytvæsker og på katoden blev der genfundet 23,7 g Cu og det svarer til en rensningsprocent på 15% i forhold til de 160 g Cu, som blev skønnet fra starten. Masseballancen for Cu stemmer således fint overens. For Cr derimod, er der kun blevet fjernet 2,3 g, svarende til 8% i forhold til det vurderede startindhold på 30 g Cr. Alt den fjernede Cr blev fundet i anodeenheden. Massebalancen for Cr stemmer således dårligere overens, men skyldes sandsynligvis den store koncentrationsvariation på startprøverne. Af As blev der fundet ca. 25 g i anodeopkoncentreringskammeret, og det svarer til, at der skulle være blevet fjernet ca. 15% As, og der er således fjernet dobbelt så meget As, som det ser ud til ud fra jordanalyserne.

Rensningsprocenterne ville have været bedre, hvis ikke de to enheder var blevet utætte. Pga. utæthederne løb der både Cu og As tilbage på jorden, som allerede var blevet fjernet en gang.

Der blev målt pH i de jordprøver, som blev udtaget d. 24.09.99, og det blev fundet, at pH i alle prøverne lå mellem 8 og 8,5. Erfaringsmæssigt er det fundet ud fra laboratorieeksperimenter, at pH bør være mere end 9,5 hvis Cu skal fjernes med ammoniak som additiv. Det blev besluttet at grave jorden op og blande den godt op med ammoniak, og påbegynde en ny rensningsperiode.

6.3 Megalab. Kørselsperiode 2.

6.3.1 Beskrivelse af anlæg

Jorden fra Megalab, kørselsperiode 1 (udendørs) blev gravet op den 4.10.99 og med det samme fyldt i et nyt kar, som er placeret i et stinkskabe indendørs. Der var flere grunde til denne omrokering. Den første var, at rensningshastigheden var blevet meget lav, fordi jorden ikke indeholdt nok ammoniak. Ammoniakken kan ikke tilsættes i stor nok mængde fra oven, og derfor var det hensigtsmæssigt at grave jorden op og blande den godt op med ammoniak. En anden årsag var, at der var uhensigtsmæssig langt mellem elektroderne i det første kar (90 cm), og denne afstand kunne med fordel mindskes, således at rensningstiden, som i forvejen er lang, kunne afkortes. I det nye kar er der 60 cm mellem elektroderne, og jorden ligger i et højere lag (33 cm). Jordvolumenet i Megalab (2) var 60 x 33 x 52 cm dvs. 103 L, svarende til 165 kg TS.

Foruden at tilføre ammoniak fra oven på jorden, var der placeret 8 perforerede rør lodret i jorden, hvori ammoniak også blev tilledt. Figur 6.6 viser opstillingen.

Figur 6.6:
Megalab, kørselsperiode 2. Opstillingen er placeret indendørs i et stinkskab

6.3.2 Opstart

Jorden blev blandet godt med 4 l konc. ammoniak under påfyldningen, og der blev udtaget 9 jordprøver jævnt fordelt i jorden. Gennemsnitskoncentrationerne var 720 mg Cu/kg, 100 mg Cr/kg og 810 mg As/kg. Disse koncentrationer for Cu og Cr ligger lidt under det, som blev fundet som gennemsnitlig slutværdi for Megalab, kørselsperiode 1, medens As niveauet er lidt højere.

6.3.3 Driftsfase

Strømstyrken var fra start 265 mA, men blev langsomt sat op i løbet af den første 1 ½ måned til 1 A. De efterfølgende 3 måneder var strømstyrken konstant 1 A og spændingen ca. 25 V. Herefter blev der problemer med strømforsyningen, og den blev udskiftet. Resten af perioden blev der renset med en strømstyrke på 500 mA. Perioden varede i 237døgn og energiforbruget var 380 kWh/ton. Der er blevet tilført jorden hvad der svarer til 17 l koncentreret ammoniak under eksperimentet. Hovedparten af den ammoniak blev tilført som 2,5% opløsning. Jorden tørrede hurtigt ud i forhold til Megalab, kørselsperiode 1 pga. udsuget i stinkskabet.

Efter 170 døgn blev der konstateret et lille læk i katodeenheden, og den blev gravet op og fik skiftet membraner, inden anlægget igen blev startet.

6.3.4 Metalfjernelse

Der blev udtaget prøver hver uge fra elektrolytterne hvor Cu og Cr koncentrationerne blev fulgt. På figur 6.7 ses den fjernede kobbermængde som funktion af tiden. Cr er ikke indtegnet, idet der kun er fjernet 1,4 g Cr i hele perioden. Den Cr mængde, som er blevet fjernet, er genfundet i anode opkoncentreringskammeret.

Figur 6.7:
Cu mængde opsamlet i katode opkoncentreringskammer som funktion af tiden for Megalab (2). Efter 170 døgn blev membranerne i enheden skiftet, og den anionbyttermembran, som adskilte opkoncentrerings-kammer fra elektrodekammer, var tydeligvis defekt, idet der fra dette tidspunkt blev målt Cu i elektrodekammeret på op til 140 ppm. Cu er derfor udfældet på katoden i denne periode, og derfor er perioden repræsenteret ved det sidste punkt, hvor Cu mængden på katoden er medtaget.

Jordprøver blev udtaget efter 170 dages drift og igen efter 237 dages drift. Koncentrationsprofilerne vises på figur 6.8 til 6.10.

Figur 6.8:
Cu koncentrationsprofiler i Megalab, kørselsperiode 2, til to forskellige tidspunkter. Middel, højeste og mindste målte startkoncentration er indtegnet.

Det ses på figur 6.8, at Cu koncentrationen er faldet fint mellem 170 døgn og 237 døgn. De 35 første cm af jorden er under 500 mg/kg efter de 237 døgn. Middelværdien i jorden efter 237 døgn er 450 mg Cu/kg hvilket svarer til en reduktion på 38%. Beregnet ud fra jordkoncentrationer er der fjernet 44 g Cu, og ud fra koncentrationer i katodeopkoncentreringskammer og katode er der fjernet ca. 37 g Cu. Der er forholdsvis stor forskel på de to tal, men det skyldes sandsynligvis de store variationer, som der er på de udtagne jordprøver og endvidere er der fjernet mere Cu, end den mængde som er fundet i elektrolytter og på katode idet der ses tydeligt Cu udfældninger på den del af overfladen af kationbyttermembranen, som sidder over jordoverfladen.

Figur 6.9:
Cr koncentrationsprofiler i Megalab, kørselsperiode 2, til to forskellige tidspunkter. Middel, højeste og mindste målte startkoncentration er indtegnet.

Der er ingen entydig profildannelse for Cr i jorden, hvilket stemmer overens med resultatet fra første kørsel. Cr niveauet ligget indenfor det interval, som blev målt fra start.

Figur 6.10:
As koncentrationsprofiler i Megalab, kørselsperiode 2 til to forskellige. Middel, højeste og mindste målte startkoncentration er indtegnet.

De to As profiler minder en del om hinanden, idet de begge viser den laveste koncentration i katodesiden og den højeste i anodesiden. Den laveste koncentration på 310 mg As/kg blev målt i katodesiden efter 234 døgn og gennemsnittet var på 630 mg As/kg svarende til en reduktion på 23%.

6.4 Sammenligning af de to Megalabkørsler

De to kørsler af megalabanlægget var af ca. samme varighed - 9 mdr. Ammoniakforbruget var i begge kørsler hvad der svarer til 17 l konc. ammoniak, men under kørselsperiode 2 blev der brugt mest ammoniak under forbehandlingen. Energiforbruget var også sammenligneligt i de to kørsler: 340 kWh/t for kørselsperiode 1 og 380 kWh for kørselsperiode 2.

De forbedringer, som blev gjort i kørselsperiode 2 med hensyn til en bedre forbehandling og en kortere elektrodeafstand gav et klart bedre rensningsresultat. I fase 1 blev der totalt fjernet 23,7 g Cu hvorimod der i fase 2 blev fjernet 37 g Cu. Af Cr blev der kun fjernet få gram i begge faser, medens der blev fjernet 11 g As i første fase og 32 g As i anden fase.